염화 베릴륨

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1. 개요

염화 베릴륨(BeCl₂)은 베릴륨과 염소의 반응, 산화 베릴륨 또는 수산화 베릴륨과 염산의 반응 등으로 얻을 수 있는 화합물이다. 고체 상태에서는 1차원 중합체로 존재하며, 기체 상태에서는 선형 단량체 또는 이량체 형태로 존재한다. 염화 베릴륨은 흡습성이 크고, 물에 용해되어 사수화물을 형성하며 루이스 산으로 작용하여 프리델-크래프츠 반응의 촉매로 사용된다. 또한, 베릴륨의 전기분해를 위한 원료로 활용된다.

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염화 베릴륨 - [화학 물질]에 관한 문서
일반 정보
IUPAC 이름	염화 베릴륨
화학식	BeCl₂
몰 질량	79.9182 g/mol
외형	흰색 또는 노란색 결정
CAS 등록번호	7787-47-5
UNII	58B7024067
PubChem	24588
RTECS	DS2625000
물리적 성질
밀도	1.899 g/cm³ (고체, 무수물), 1.713 g/cm³ (사수화물)
용해도	15.1 g/100 mL (20 °C), 42.24 g/100 g 용액 (20 °C)
녹는점	399 °C (무수물), 440 °C
끓는점	482 °C (무수물), 547 °C
용해성	에탄올, 다이에틸 에터, 벤젠, 피리딘에 용해됨, 클로로포름, 이산화 황에 약간 용해됨
결정 구조	육각형 (hexagonal), 단사정계
분자 모양	중합체 (polymer), 직선형
열화학
표준 생성 엔탈피	-494 kJ/mol (β 형태: −495.8 kJ/mol, α 형태: −490.4 kJ/mol)
표준 연소 엔탈피	16 kJ/mol
표준 자유 에너지 생성 엔탈피	-468 kJ/mol
엔트로피	63 J/mol K (β 형태: 75.81 J mol⁻¹K⁻¹, α 형태: 82.68 J mol⁻¹K⁻¹)
열용량	71.1 J/mol K (β 형태: 62.43 J mol⁻¹K⁻¹, α 형태: 64.85 J mol⁻¹K⁻¹), 7.808 J/K
위험성
LD50 (반수 치사량)	86 mg/kg (쥐, 경구)
NIOSH REL (권장 노출 기준)	Ca C 0.0005 mg/m³ (베릴륨으로서)
OSHA PEL (허용 노출 기준)	TWA 0.002 mg/m³, C 0.005 mg/m³ (30분), 최대 피크 0.025 mg/m³ (베릴륨으로서)
IDLH (즉시 생명 또는 건강에 위험한 농도)	Ca [4 mg/m³ (베릴륨으로서)]
EU 분류	맹독 (T+), 환경 위험 (N)
R 문구	R49, R25, R26, R36/37/38, R43, R48/23, R51/53
S 문구	S45, S53, S61
인화점	불연성
관련 화합물
다른 음이온	플루오린화 베릴륨, 브로민화 베릴륨, 아이오딘화 베릴륨
다른 양이온	염화 마그네슘, 염화 칼슘, 염화 스트론튬, 염화 바륨, 염화 라듐
식별 정보
ChemSpider ID	22991
InChI	1/Be.2ClH/h;2*1H/q+2;;/p-2
InChIKey	LWBPNIJBHRISSS-NUQVWONBAX
SMILES (이온 묘사)	[Be+2].[Cl-].[Cl-]
SMILES (공유 단량체)	Cl[Be]Cl
SMILES (중합체)	Cl[Be-2](Cl)([Cl+]1)[Cl+][Be-2]1([Cl+]1)[Cl+][Be-2]1([Cl+]1)[Cl+][Be-2]1([Cl+]1)[Cl+][Be-2]1([Cl+]1)[Cl+][Be-2]1([Cl+]1)[Cl+][Be-2]1([Cl+]1)[Cl+][Be-2]1([Cl+]1)[Cl+][Be-2]1([Cl+]1)[Cl+][Be-2]1([Cl+]1)[Cl+][Be-2]1([Cl+]1)[Cl+][Be-2]1(Cl)Cl
구조
염화 베릴륨 중합체 구조
염화 베릴륨 결정 구조 1
염화 베릴륨 결정 구조 2
염화 베릴륨 결정 구조 3

2. 구조

염화 베릴륨(BeCl₂)은 고체 상태에서는 1차원 중합체로 존재하지만, 가열하여 기체로 만들면 선형 단위체나 두 개의 염소 원자로 연결된 이합체로 분해된다. 이합체일 때 베릴륨의 배위수는 3이다. 다른 2가 금속 양이온의 할로젠화물과는 달리 VSEPR 이론에 따라 선형 구조를 가진다.^[2]

BeCl₂는 두 가지 다형체(다형체)로 알려져 있다.^[4] 염화 베릴륨은 수용액에서 진동 분광법으로 확인된 바와 같이 사면체 [Be(OH₂)₄]²⁺ 이온을 생성하도록 용해된다.^[6]

2. 1. 고체 상태

고체 상태의 염화 베릴륨은 1차원 중합체 사슬 구조를 형성한다. 각 베릴륨 원자는 네 개의 염소 원자와 결합하여 사면체 형태를 이룬다.^[4] 염화물 리간드는 이중으로 가교되어 사면체 Be²⁺ 중심을 상호 연결한다.^[4]

BeCl₂는 두 가지 다형체로 알려져 있다. 한 형태는 모서리를 공유하는 다면체 사면체로 구성되며, 다른 형태는 요오드화 아연과 유사하게 상호 연결된 아다만탄 유사 케이지를 가진다.^[4] 반면, BeF₂는 석영과 유사한 3차원 중합체이다.

2. 2. 기체 상태

기체 상태에서 BeCl₂는 선형 단량체와 두 개의 가교 염소 원자를 갖는 가교 이량체로 존재하며, 여기서 베릴륨 원자는 3배위이다.^[5] 단량체 형태의 선형 모양은 VSEPR 이론에 의해 예측된 대로이다. 이 선형 모양은 CaF₂, SrF₂, BaF₂, SrCl₂, BaCl₂, BaBr₂, 및 BaI₂와 같은 2족 원소의 더 무거운 원소들의 일부 이할로겐화물의 단량체 형태와 대조된다. 이들은 모두 비선형이다.^[2]

3. 제법

염화 베릴륨은 베릴륨을 염소 분자와 고온에서 직접 반응시키거나, 순수한 베릴륨 금속이나 산화 베릴륨, 수산화 베릴륨을 염산과 반응시켜 얻는다. 염소 존재 하에 산화 베릴륨을 탄소와 반응시켜 얻기도 한다.^[2]^[3]

이 외에도 고온에서 황산 베릴륨과 탄소의 혼합물에 염소를 반응시키는 방법이 있다.^[11]

3. 1. 직접 반응

염화 베릴륨은 고온에서 베릴륨 금속과 염소 기체를 직접 반응시켜 제조한다.^[2]

:Be + Cl₂ → BeCl₂

3. 2. 탄소열 환원

산화 베릴륨을 탄소와 함께 염소 존재 하에 반응시키면 염화 베릴륨을 얻을 수 있다.^[3]

: BeO + C + Cl2 -> BeCl2 + CO

: 2 BeO + C + 2 Cl2 -> 2 BeCl2 + CO2^[14]

3. 3. 염산과의 반응

베릴륨 금속, 산화 베릴륨(BeO), 또는 수산화 베릴륨(Be(OH)₂)을 염산(HCl)과 반응시켜 염화 베릴륨을 얻을 수 있다.^[2]^[3]^[11]

:BeO\ + 2 HCl\ + 3 H2O -> BeCl2{\cdot}4H2O

:Be(OH)2\ + 2 HCl\ + 2 H2O -> BeCl2{\cdot}4H2O

3. 4. 기타

무수 염화 베릴륨은 고온에서 황산 베릴륨과 탄소의 혼합물에 염소를 반응시켜 얻을 수 있다.^[11]

:BeSO4\ + C\ + Cl2 -> BeCl2\ + SO2\ + CO2

4. 성질

염화 베릴륨(BeCl₂)은 몇 가지 주목할 만한 성질을 가지고 있다. 물에 용해될 때는 진동 분광법으로 확인된 바와 같이 사면체 [Be(OH₂)₄]²⁺ 이온을 생성한다.^[6] 또한, 에테르와 같은 일부 용매에도 용해된다.^[7]^[8]

4. 1. 물리적 성질

염화 베릴륨은 무색 결정으로 흡습성이 강하며, 물에 용해될 때 발열 반응을 보인다.^[11] 물과 반응하면 사수화물(BeCl₂·4H₂O, [Be(H₂O)₄]Cl₂)을 형성한다.^[7]

두 가지 다형체(다형체)가 알려져 있는데, 두 구조 모두 이중으로 가교된 염화물 리간드로 상호 연결된 사면체 Be²⁺ 중심으로 구성된다.^[4] 한 형태는 모서리를 공유하는 다면체 사면체로 구성되고, 다른 형태는 상호 연결된 아다만탄 유사 케이지가 있는 아이오딘화 아연과 유사하다.^[4] 반면, BeF₂는 석영의 구조와 유사한 3차원 중합체이다.

기체 상에서 BeCl₂는 선형 단량체와 두 개의 가교 염소 원자를 갖는 가교(가교) 이량체로 존재하며, 여기서 베릴륨 원자는 3배위이다.^[5] 단량체 형태의 선형 모양은 VSEPR 이론에 의해 예측된 대로이다. 이 선형 모양은 2족 원소의 더 무거운 원소들의 일부 이할로겐화물 예를 들어 CaF₂, SrF₂, BaF₂, SrCl₂, BaCl₂, BaBr₂, 및 BaI₂의 단량체 형태와 대조된다.^[2]

염화 베릴륨은 에테르와 같은 산소를 포함하는 용매에 잘 용해된다.^[7]^[8] 디에틸 에테르에 현탁되면 무색의 디에테르화물로 변환된다.^[9]

:

무수물은 에탄올, 디에틸 에테르, 아세톤 및 아민 등 많은 유기 용매에도 녹아 용매 2분자가 부가된 착물 BeCl₂·2A를 생성한다.^[11] 수용액은 가수분해에 의해 산성을 나타낸다. 또한 사수화물은 오산화 인을 사용해도 탈수되지 않으며, 가열하면 100℃ 부근부터 분해되어 염기성염을 생성하고, 더욱 강열하면 산화물이 된다.

:BeCl2{\cdot}4H2O -> BeO\ + 2 HCl\ + 3 H2O

4. 2. 화학적 성질

염화 베릴륨은 건조한 공기에서는 안정적이지만 흡습성이 강하며, 물에 용해될 때 열이 발생하면서 4수화물(BeCl₂·4H₂O)이 생성된다.^[2] 물과 반응하면 사수화물(tetrahydrate), BeCl₂•4H₂O ([Be(H₂O)₄]Cl₂)을 형성한다.^[7]^[8] 수용액은 가수분해에 의해 산성을 나타낸다.^[13]

루이스 산이며, 프리델-크래프츠 반응과 같은 일부 유기 화학 반응에서는 촉매로 작용한다.^[2] 유기 반응에서 염화알루미늄과 유사한 거동을 보인다.^[15] 에터와 같이 산소를 포함하는 용매에 잘 용해된다.^[2] 무수물은 에탄올, 디에틸에테르, 아세톤 및 아민 등 많은 유기 용매에도 녹아 용매 2분자가 부가된 착물 BeCl₂·2A를 생성한다.^[11]

디에틸 에테르에 현탁되면 염화베릴륨은 무색의 디에테르화물로 변환된다.^[9] 이 에테르 리간드는 다른 루이스 염기(Lewis base)로 치환될 수 있다.

염화베릴륨은 포스핀과 착물을 형성한다.^[10]

사수화물은 오산화이인을 사용해도 탈수되지 않으며, 가열하면 100℃ 부근부터 분해되어 염기성염을 생성하고, 더욱 강열하면 산화물이 된다.^[13]

:BeCl2{\cdot}4H2O -> BeO\ + 2 HCl\ + 3 H2O

5. 반응

염화 베릴륨은 루이스 산으로 작용하며 유기 반응에서 염화 알루미늄과 유사한 거동을 보인다.^[15] 포스핀과 착물을 형성한다.^[10]

무수물은 물에 잘 녹는 무색 결정으로 흡습성이 강하며, 물에 녹을 때 강하게 발열한다.

5. 1. 수화 반응

물과 반응하면 염화 베릴륨은 사수화물(tetrahydrate), BeCl₂•4H₂O ([Be(H₂O)₄]Cl₂)을 형성한다.^[7]^[8] 염화 베릴륨은 에터에도 용해된다.^[7]^[8]

5. 2. 유기 용매와의 반응

염화 베릴륨은 에터와 같은 산소를 포함하는 용매에 잘 용해된다.^[7]^[8] 디에틸 에테르에 현탁되면 무색의 디에테르화물로 변환된다.^[9] 이 에테르 리간드는 다른 루이스 염기로 치환될 수 있다.

무수 염화 베릴륨은 에탄올, 디에틸에테르, 아세톤 및 아민 등 많은 유기 용매에도 녹아 용매 2분자가 부가된 착물 BeCl₂·2A를 생성한다.^[11]

5. 3. 가수분해

염화 베릴륨은 물에 녹아 가수분해되어 산성을 나타낸다.

:

BeCl_2 \rightarrow Be^{2+}(aq)\ + 2 Cl^-(aq)\ ,

\Delta H = -221.3\mbox{ kJ mol}^{-1}

^[13]

사수화물은 오산화 인을 사용해도 탈수되지 않으며, 가열하면 100℃ 부근부터 분해되어 염기성염을 생성하고, 더욱 강하게 가열하면 산화물이 된다.^[11]

:

BeCl_2{\cdot}4H_2O \rightarrow BeO\ + 2 HCl\ + 3 H_2O

6. 응용

염화 베릴륨은 베릴륨 생산과 프리델-크래프츠 반응의 촉매로 사용된다.

6. 1. 베릴륨 생산

순수한 베릴륨은 염화 베릴륨을 염화 나트륨과 함께 용융시켜 전기분해하여 얻는다.^[1]

6. 2. 촉매

루이스 산이며, 프리델-크래프츠 반응과 같은 일부 유기 화학 반응에서 촉매로 작용한다.^[1]

참조

_[1] PGCH PGCH 0054
_[2] 논문 Beryllium Chloride
_[3] 서적 Advanced Inorganic Chemistry John Wiley and Sons, Inc
_[4] 논문 Crystal Modifications of Beryllium Dihalides BeCl₂, BeBr₂ and BeI₂
_[5] 리다이렉트 #REDIRECT
_[6] 논문 Hydration of Beryllium(II) in Aqueous Solutions of Common Inorganic Salts. A Combined Vibrational Spectroscopic and ab initio Molecular Orbital Study
_[7] 서적 CRC Handbook of Chemistry and Physics CRC Press
_[8] 서적 Inorganic Chemistry Academic Press
_[9] 논문 Structure and Spectroscopic Properties of Etherates of the Beryllium Halides 2023
_[10] 논문 Beryllium Phosphine Complexes: Synthesis, Properties, and Reactivity of (PMe3)2BeCl2 and (Ph2PC3H6PPh2)BeCl2 https://onlinelibrar[...] 2017-01-19
_[11] 서적 化学大辞典共立出版
_[12] 서적 化学便覧基礎編　改訂4版丸善
_[13] 논문 The NBS tables of chemical thermodynamics properties
_[14] 서적 新実験化学講座　無機化合物の合成II 丸善
_[15] 서적 Merck index 13th
_[16] PGCH PGCH 0054

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